Hücre ve Hücre Zarından Madde Geçişi

Hücre
Hücre ilk defa 1665 yılında Robert Hooke tarafından keşfedilmiştir. Robert Hooke Şişe mantarından aldığı kesiti mikroskopta incelemiş ve oda şeklinde yapılar görmüştür. Gördüğü bu yapılara “Hücre”adını vermiştir.
Yaklaşık iki yüzyıl sonra Brawn (1831) bitki hücrelerinde “çekirdeği” buldu. Purkinje, Schwann ve Mohl gibi araştırmacılar hücre içindeki canlı yapıya “plazma” adını verdiler. Daha sonra hücreyi dış ortamdan ayıran bir zarın olduğu bulundu. Böylece yavaş yavaş canlıların hücrelerden yapıldığı fikri yayılmaya başladı.
Bütün bu gelişmelere dayanılarak on dokuzuncu asrın başındaki botanikçi Schleiden 1838 ve zoolog Schwann 1839da “bütün canlıların hücrelerden meydana geldiğini”söyleyerek hücre teorisinin ilk temelini attılar. Daha sonra hücre teorisi,1858 yılında Rudolf Virchow’un eklediği yeni maddelerle aşağıdaki şeklini almıştır.
• Bütün canlılar bir veya daha çok hücreden meydana gelmiştir.
• Hücreler , canlıların en temel yapısal ve fonksiyonel birimidir.
• Hücreler , kendilerinden önceki hücrelerin bölünmesi ile meydana gelirler.
Sitolojideki son çalışmalar ve yüksek yapılı canlılar dikkate alındığında ,bu maddelere ek olarak iki yeni maddenin daha ilave edilmesi öngörülmektedir.
• Çok hücreli canlıların hücreleri farklı gruplar altında bir araya gelerek tek bir birim gibi işlermektedirler(Doku oluşumu)
Çok hücreli canlıların hücreleri bölünme,hareket ,kendilerine özgü şekil aşabilmek ve gerekli foınksiyonları gerçekleştirebilmek için birbirlerine veya katı bir yüzeye temas edebilmek zorundadırlar.
Hücre zarından madde geçişi
Hücre zarı , seçici geçirgen bir yapıya sahiptir. Molekül büyüklüğüne,yağda veya suda çözünmesine, polaritesine , ortamdaki yoğunluğuna veya türüne göre zar üzerinden madde taşınması dört farklı şekilde gerçekleştirilir.
Hücre zarından madde geçişi
Pasif taşıma
Difüzyon
Kolaylaştırılmış difüzyon
Osmoz
Plazmoliz
Deplazmoliz
Diyaliz
Aktif taşıma
Endositoz
Fagositoz
Pinositoz
Ekzositoz
1.Pasif taşıma
Maddelerin enerji harcamadan , yoğunluk farkından dolayı hücre zarındaki porlardan veya fosfolipit tabakadan doğrudan geçmesidir. Hücrelerde pasif taşıma üç şekilde görülür:
a. Difüzyon
Difüzyon, bir maddenin konsantrasyonunun yüksek olduğu yerden düşük olduğu yere doğru hareketine denir. Örneğin bir kokunun bütün odaya yayılması veya bir damla mürekkebin bir bardak suya atılınca bütün bardağı boyaması gibi. Aynı kural hücre için de geçerlidir. Örneğin sitoplazmada glikoz sürekli olarak tüketilmekte ve artık maddelerin yoğunluğu artmaktadır.Dış ortamda glikoz arttığında ,iç ve dış ortam arasındaki yoğunluk farkı glikozun enerji
veya eksi yöndeki bir değişiklik difüzyonu yeniden başlatır.
Por içinden difüzyonla taşınacak maddenin porlardan geçecek kadar küçük olması ve suda çözünebilir olması gerekir.Büyük moleküller pordan geçemezler. Örneğin glikoz difüzyonla taşınırken ,nişasta taşınamaz. Por sayısının fazla olması difüzyon hızını artırır. Yağda çözülen maddelerin difüzyonla taşınması için büyüklük sınırı veya por kullanma gereği yoktur. Hücre zarı lipit(yağ)yapısında olduğundan , bu maddeler herhangi bir yerinden geçebilirler.
Kolaylaştırılmış Difüzyon
Su ve yağda erimeyen maddelerin (klor iyonları) ve glikoz ,galaktoz ,fruktoz gibi şekerlerin zardan geçişi , kolaylaştırılmış difüzyon denilen pasif bir yolla olur.
Taşınacak madde zarda bulunan taşıyıcı proteinle birleşir. Madde , birleştiği taşıyıcı proteinle “sustrat-enzim”gibi yüzey uygunluğu gösterir(Taşıyıcı protein taşınacak maddelerin yapısına göre şeklini değiştirir.).Madde geçişi gerçekleştikten sonra taşıyıcı protein tekrar önceki şeklini alır. Geçişme yüksek konsantrasyonlu ortamdan düşük konsantrasyonlu ortama
doğru olur. Por sayısındaki artış kolaylaştırılmış difüzyonu hızlandırır.
Kolaylaştırılmış difüzyon,taşıyıcı sistemden ötürü aktif taşımaya benzerse de ikisi arasındaki en büyük fark ; difüzyonda enerji kullanılmaması ve yüksek konsantrasyondan düşük konsantarasyona doğru olmasıdır.
b. Osmoz
Osmozu tanımlamadan önce yoğunluk kavramını iyi bilmek gerekir. Bir maddenin yoğunluğu , birim hacimde bulunan çözücü içindeki madde miktarıdır. Çözünenin çok olması durumunda ortam çok yoğun ,az olması durumunda ise az yoğun olur. Ortamın yoğunluğu çözücü miktarı ile ters orantılıdır. Yani çok yoğun ortamdaki çözücünün oranı, az yoğun ortamdaki çözücü oranından düşüktür.
Nişasta porlardan geçemeyecek kadar büyük olduğundan , su molekülleri nişastanın çok, suyun az olduğu ortama doğru geçer. A kolundaki toplam hacim B koluna göre daha fazladır. Buna göre suyun , yarı geçirgen bir zar üzerinde çok olduğu ortamdan az olduğu ortama doğru geçişine osmoz denir.
Bu olayı canlılarda görmek de mümkündür. Canlılarda , kapalı ortam, hücre zarıyla sınırlandırılmış olan sitoplazmadır. Sitoplazma içerisindeki organik asitler , şekerler, organik ve inorganik tuzlar gibi maddeler bulunur(bu maddelerin potansiyel değerine osmotik değer denir.)Sitoplazma ve dış ortamın yoğunluğuna göre her iki ortam arasında su geçişi olur.
Osmoz sonucu iki değişik olay gözlenir:
• Plazmoliz:Hücre kendisinden yoğun (hipertonik)bir ortama konduğunda , yoğun ortama su vererek zarın her iki tarafındaki yoğunluğu dengelemek ister. Dolayısıyla su kaybederek büzülmesine plazmoliz denir .Bitki hücreleri hayvan hücrelerine göre daha yavaş su kaybederler(hücre çeperi bulundurdukları için).Deniz suyu içildiğinde dokular su kaybederek ölür. Bunun sebebi deniz suyundaki tuzun dokulardakine oranla çok fazla olmasıdır.
• Deplazmoliz:Hücrenin ortamdan su alarak şişmesine deplazmoliz denir. Hücre kendisinden daha az yuğun(hipertonik)bir ortama konursa , ortamdan hücreye su girişi olur.
Osmotik kuvvetler:
Plazmoliz ve deplazmoliz esnasında osmotik basınç ve turgor basıncı ortaya çıkar.
• Osmotik Basınç:Hücre içindeki maddelerin yoğunluğundan dolayı sıvıların hücreye girerken zara dıştan basınç şeklinde tanımlanır. Osmotik basıncı oluşturan maddeler çeşitli şekerler , organik asitler , organik ve inorganik tuzlardır. Dolayısıyla hücre içinde bu maddelerin yoğunluğuyla hücrenin osmotik basıncı doğru orantılıdır. Deplamolizden önce hücrenin osmotik basıncı yüksek olup , su hücre içine girer.
Örneğin bitkinin köklerindeki emici tüylerde osmotik basınç yüksek olduğundan su topraktan kök hücrelerine geçer. Osmotik basınç atmsofer birimiyle ifade edilir .Osmotik basınç , plazmoliz halindeki hücrelerde yüksek deplazmoliz halindeki hücrelerde düşüktür. Hücrenin kendisi ile aynı yoğunluktaki (izotonik) ortama konduğunda osmotik basınç , iç basınçla denge halinde olur.
• Turgor basıncı:Keplazmoliz esnasında sitoplazma sıvısının zara yaptığı basınçtır (iç basınç). Hayvan hücreleri bu yüksek basınca dayanamaz , parçalanır. Mesela alyuvarlar kendilerinden az yoğun bir ortama konulursa , ortamdan alyuvar hücrelerine su girişi olur. Daha sonra zarları parçalanır, hücre ölür(hemoliz).
Bitki hücrelerinde selüloz çeper olduğundan turgor basıncından hayvan hücrelerine göre daha az etkilenirler. Ayrıca turgor basıncının bitkilere sağladığı bazı avantajlar vardır. Bu avantajları ;
• otsu bitkilerde destekliği
• stomaların açılıp kapanmasını
küstüm otu gibi bitkilerde hareketi sağlaması şeklinde sıralayabiliriz.
Emme basıncı , turgor basıncı arasındaki ilişki
Emme basıncı hücrenin osmotik basıncının oluşturduğu bir çekici kuvvettir. Diper bir deyişle emme basıncı iç basınca üstün olduğu sürece hücreye su girişini sağlayan bir kuvvettir. Osmotik değer , osmotik basıncı meydana getiren eriyiğin çekim gücüne denir. Böyle bir değer her hücrenin kofulunda gizli olarak bulunur.
Genel olarak emme basıncı (EB) bir hücre için, hücrenin osmotik değeri (OD) ile iç (turgor) basıncının (TB) arasındaki farka eşittir.
EB=OD-TB
c. Diyaliz:
Diyaliz , çözünmüş maddenin seçici geçirgen zardan difüzyonudur. Örneğin içi glikoz molekülleri ile dolu bir bağırsak saf su içerisine konursa glikoz molekülleri , zardan su içerisine iki tarafta yoğunluk eşit oluncaya kadar geçer.
Bu prensip , suni böbrek aletinde (diyaliz ) kullanılır. Hastanın her seferinde 500Ml kadar kanı bir diyaliz tüpünden geçirilire .Diyaliz tüpünün dışında ,kanda bulunan ve difüzyon olabilen aynı yoğunlukta maddeleri taşıyan bir sıvı bulunur. Bu sıvı sadece uzaklaştırılacak olan maddeyi taşımamaktadır. Böylece kan gerekli olan maddeler dıştaki sıvıya geçmez. Uzaklaştırılması istenen madde ( üre gibi ) dış sıvıda bu bulunmadığından , bu madde kandan dış sıvıya difüzyonla geçer ve kan bu maddeden temizlenmiş olur.
Moleküllerin pasif olarak taşınmasını etkileyen faktörler
Canlı hücrelerde hücre zarının her iki yönünde devamlı bir molekül hareketi gözlenir. Bu moleküller hücre zarından doğrudan veya porlar yardımıyla geçerler . Geçiş türü veya hızı aşağıdaki faktörlere göre değişmektedir.
• Moleküllerin büyüklüğü:Oksijen , su, iyot, karbondioksit gibi küçük moleküller hücre zarından kolaylıkla geçebilir. Mesela 6 karbonlu glikoz; oksijen , su ve karbondioksitten daha zor geçer.
• Moleküllerin elektrik yükü:Hücre zarının yapısından dolayı , nötr moleküller iyonlardan daha kolay geçer. Nötr haldeki potasyum (K) iyon haldeki potasyumdan daha lokay geçer.
• Yağda çözünen maddeler:Hücre zarının yapısında yağ olduğu için yağda çözünen maddeler hücre zarından daha kolay geçebilir. Bu maddelere , yağda eriyen vitaminler (A,D,E,K) örnek olarak verilebilir.
• Yağı eriten maddeler:Yağı eriten maddeler de hücre zarından kolaylıkla geçebilir. Örnek ;alkol, eter,kloroform ve benzen gibi kimyasal maddeler.
• Zardaki por sayısı:Hücre zarında por sayısı ne kadar fazla olursa madde çıkışı o kadar hızlı olur.
• Konsantrasyon farkı:Yüksek konsantrasyonlu ortamdaki moleküllerin birbirine çarpma hızı , düşük konsantrasyonlu ortamlara göre daha hızlıdır. Bu ortamdaki potansiyel enerji , yüksek konsantrasyonlu ortamdan düşük konsantrasyonlu ortama madde geçişini hızlandırır.
• Molekül ağırlığı: Moleküllerin ağırlıkları ne kadar düşükse difüzyon hızları o kadar yüksektir. Yani maddelerin difüzyon hızları molekül ağırlıkları ile ters orantılıdır. O halde gazların difüzyonu hızlı, sıvılarınki yavaş , katıların difüzyonu ise yok denecek kadar azdır. Çünkü moleküllerin ağırlıkları ne kadar büyük olursa aralarındaki çekim kuvveti o kadar fazla olur.
• Sıcaklık:Moleküller sıcak ortamda daha hızlı hareket ederler. Dolayısıyla yüksek sıcaklıkta difüzyon hızlıdır.
• Hücre zarının deformasyonu:Hücre zarı alkol , eter çeşitli zehirler ve kloroform gibi maddelere karşı aşırı duyarlıdır. Bu maddeler hücre zarına girerken veya çıkarken hücre zarını tahrip ederler.
2.Aktif taşıma
Bir maddenin konsantrasyonunun düşük olduğu yerden yüksek olduğu yere doğru , enerji (ATP) harcanarak taşınmasına aktif taşıma denir. Bir başka ifade ile ; aktif taşıma maddelerin yokuş yukarı hareketidir. Aktif taşıma , canlı zarlar üzerinde enzim ve taşıyıcı proteinlerle gerçekleştirilir.
Aktif taşımada mutlaka enerji harcanır. Enerji yetersizliğinde aktif taşıma duru, pasif taşıma devam eder .Bu durumda bazı maddelerin hücre içi ve hücre dışı yoğunluk farkları ortadan kalkar ve bunun sonucunda hücrede hayatsal faaliyetler durur, yani hücre ölür. Örneğin; büyüme ve protein sentezi için mutlaka gerekli olan potasyum hücre içinde hücre dışına göre 40 misli fazla bulunmak zorundadır. Eğer bu miktar azalacak olursa , hücre yeterli şekilde fonksiyonlarını gerçekleştiremez. Aktif taşımaya en güzel örnek , çeşitli hücrelerde görülen “Sodyum- Potasyum pompası”dır. Normal şartlarda sodyum hücre dışında , potasyum da hücre içerisinde daha yoğundur. Sodyum - potasyum pompası ile yoğunluk farkından dolayı hücre dışına çıkan potasyum hücre içerisine sızan sodyum ise hücre dışına , ATP enerjisi kullanılarak pompalanır(bu taşımanın , düşük yoğunluktan yüksek yoğunluğa doğru olduğuna doğru olduğuna dikkat ediniz.).Daha önce belirttiğimiz aktif taşımada enerjinin yanında enzimler de iş görür. Sodyum - Potasyum pompasında etkili olan enzim “Sodyum potasyum adenozin trifosfataz “enzimidir. Bu enzim ATP’yi hidrolize ederek ADP ve inorganik fosfata dönüştürür. Açığa çıkan enerji sodyumu dışarıya , potasyumu da içeriye taşımada kullanılır.
Aktif taşımada, taşıyıcı proteinler ve enzimler görev aldığı için bu olay ;sıcaklık ve enzimler görev aldığı için bu olay ;sıcaklık ,PH , ve zehir etkisi yapan kimyasal maddelerden etkilenir.
3.Endositoz
Pasif ve aktif taşıma ile taşınan moleküller doğrudan hücre zarından veya porlardan geçerken , büyük moleküllerden olan yağ , nişasta , glikojen , protein vs geçemezler. Bu moleküller zarın değişikliğe uğraması ile enerji harcanarak hücre içine alınırlar. Bu olaya “endositoz” denir. Endositozla hücre içine alınan besinler , sitoplazmada besin kofulu şeklinde bulunurlar. Hücrelerde endositozla besin alımı fagositoz ve pinositozla sağlanır.
a. Fagositoz
Endositozla katı yapıların hücre içine besin kofulu şeklinde alınmasına “fagositoz” denir. Katı madde yalancı ayak yardımıyla oluşturulan cep içerisine alınır. Daha sonra içeri çekilen besin kofulu lizozomla birleşerek sindirilir. Akyuvarların mikropları yemesi , amipin beslenmesi buna örnektir.
b. Pinositoz
Sıvı maddelerin besin kofulu şeklinde hücreye alınmasına da”pinositoz” denir. Pinositoz olayında , sıvı maddelerin hücre zarına değmeleri sonucunda , sitoplazma içine doğru cep ya da kanal şeklinde yapılar oluşur. Bu yapılardan pinositoz keseleri meydana gelir. Bu şekilde hücre içine alınan sıvı maddeler lizozomla birleşerek sindirilir.
Fagositoz ve pinositoz genellikle hayvan hücrelerinde görülür.
4. Ekzositoz
Daha önce de açıklandığı gibi hücreye endositozla alınan maddeler lizozom enzimleri ile küçük moleküllere parçalanır. Kesecik içerisinde sindirim sonucu oluşan artık maddeler ve dışarı salgılanması gereken bazı metabolik ürünler hücreden dışarıya atılır. Bu olaya “ekzositoz” denir. Ekzositozda kesecik hücre zarına tutunur ve tutunan kısımdan içeriğini dışarıya boşaltır. Endositozda olduğu gibi ekzositoz için de enerji gereklidir.


Konuyla ilgili son on yılda ÖSS’de çıkmış sorular
1.Bir hücrenin bir molekülü pasif taşıma (difüzyon) ile içine alamamasının nedeni aşağıdakilerden hangisi olabilir.
A)Hücrede ATP miktarının az olması
B)Hücrede ilgili enzimin bulunmaması
C)Molekülünün hücre içindeki derişiminin az olması
D) Molekülünün suda çözünür olması
E) Molekülün yapısının büyük olması
Cevap.E (1994